本田公司推出新款燃料電池車

【日】 山岡丈夫

0 引言

本田公司將1款綠色環保型燃料電池車投放市場銷售，其車名為“Clarity Fuel Cell”(以下稱 Clarity)。該車定員5人，1次充填氫氣續航里程為750 km左右(JC08工況下)，儲氫罐1次充填時間約為3 min，最高車速為165 km/h。

本車預計的零售價格為766萬日元(含消費稅在內)。第一年預計以在燃料電池車推廣普及工作中提供了協助的自治團體與企業為中心，并以租借形式銷售。同時收集使用狀況、意見及要求，然后銷售給個人。預計第一年的銷售輛數將達到200輛左右。

如果簡要而形象地描述燃料電池車，則可以說成是帶發電設備的電動車，圖1為燃料電池車的基本結構。表1列出Clarity車型的主要技術規格。

圖1 通過向燃料電池輸入氫與氧，進而產生化學反應，由此產生的電能以驅動電動機，并為車輛提供動力

1 燃料電池系統

Clarity車型配裝的燃料電池系統的最大特征是燃料電池動力系統被集中起來，收納并設置在車輛發動機艙的前蓋下方，其結果表明能夠實現與內燃機汽車相互通用的組裝系統。同時，還能夠有效運用原有的生產線，也能實現額定乘員5人的要求(圖2～圖3)。

表1 Clarity燃料電池車的主要技術規格

傳統燃料電池車的燃料電池堆安裝在與驅動單元分離的地板下。本車型以燃料電池堆的小型化為基礎，使燃料電池動力系統與V6發動機在同等尺寸條件下可以實現替換(圖4)。

圖2 配裝在Clarity車型上的燃料電池系統的結構圖

圖3 將燃料電池堆及電動機等動力系統集中布置在前車蓋下

圖4 燃料電池動力系統(左)與3．5 L V6發動機(右)的大小比較

2 燃料電池動力系統

燃料電池動力系統的主要結構裝置包括燃料電池堆、燃料電池升壓轉換器、空氣壓縮機、驅動單元等。

2．1 燃料電池堆

新采用的燃料電池堆相比于傳統燃料電池堆體積縮小了33%(圖5)。由于提高了氣體的擴散性，每1個電池的發電能力增大到1.5倍，體積功率密度增大60%。其結果可以減少30%的電池數，同時，電池單體實現了薄型化。

圖5 Clarity車型的燃料電池堆比傳統燃料電池堆縮小體積33%左右

2．1．1 提高發電穩定性

燃料電池堆利用發電時氫與氧的化學反應，在氧(空氣)極側的發電面上生成水。這種水的存在，對發電效率及發電穩定性有較大的影響。也就是說，如果生成水容易停留在發電面上，并且容易滯留在流道上，則發電效率降低，所以，提高反應生成水的排放性能是非常重要的。另一方面，使氫離子透過空氣極側的電解質膜，越是潮濕透過性越高，進而提高發電效率。成為新型燃料電池核心的膜—電極接合體(MEA)得到改進的同時，氫氣與空氣流動的方向從由上而下的垂直流動，改變為水平相向流動。并且，由于高精度的濕度反饋控制，從低負荷工況到高負荷工況提高了發電穩定性(圖6)。氫與空氣從左、右側沿橫向(水平)逆向流動，可使發電面的溫度分布產生均勻效果。利用該效果可以實現降低電解質膜受潮濕程度，再加上由于高精度地控制生成水的內部循環量，實現利用發電面的生成水以減少冷凝水的生成，以及根據電解質膜的發電負荷來保持最佳的受潮濕量。

2．1．2 提高發電性能

圖7表示燃料電池格柵(元件)的結構，分別由氫氣極與空氣極的電極層與擴散層夾住了MEA為核心，這也是用設置的隔板夾住氫氣與空氣的流道以及制冷劑的流道。本田公司的燃料電池堆，將氣體流道做成擴散性優異的波狀結構，用2塊MEA與3塊隔板構成1個單元(2個格柵)，組成獨特的冷卻結構，并追求小型化。新型燃料電池堆進一步發展了該結構。前述改進的結果能夠使氣體流道的深度變淺，并使格柵減薄20%，每個格柵的厚度為1 mm(圖8)。加上由于隔板的薄型化，在氣體流道變淺的同時，使流道寬度變窄，進而提高氣體擴散性(圖9)。由此，每個格柵的發電性能達到飛躍性的提高，低溫下的發電性能也得到提高。由于燃料電池堆的小型化和MEA的改良，除了熱容量大幅度降低之外，電阻也減小了。低溫下起動后，到達50%的輸出功率的時間縮短了一半。圖10表示傳統電池堆與改進型電池堆在冰點以下(低溫)起動后的發電性能的比較。

圖6 傳統的燃料電池堆(a)與Clarity車型的燃料電池堆(b)的氣體流動與發電穩定性的比較示意圖，傳統燃料電池堆氣體(空氣、氫氣)是自上而下的平行流動;Clarity車型的燃料電池堆氣體采用水平相向流動方式

圖7 本田公司采用了獨特的雙格柵冷卻結構的燃料電池

圖8 由于氣體流道的深度變淺，成功地使電池格柵薄型化

圖9 傳統燃料電池(a)與Clarity燃料電池(b)的流道寬度縮小示意圖，由于氣體流道寬度擴大的原因，水的排放性也得到提高

圖10 傳統燃料電池系統與Clarity燃料電池系統在冰點時起動后的發電性能比較圖

2．1．3 提高抗沖擊性

為了將燃料電池堆安裝在前車蓋下方，相比于燃料電池堆布置在中央通道內的傳統燃料電池汽車，有必要提高抗前方碰撞的耐沖擊性。因此，開發出以下結構:配置連接燃料電池堆左、右的端蓋(端板)的連接桿，并使電池上設置的凸部與連接桿的凹部相嚙合。因此，抗沖擊性提高到原有的4倍。利用該結構，防止在遭遇沖擊時的電池偏移，可以防止氫氣從燃料電池堆內漏泄。圖11為抗沖擊電池保持(鎖定)的結構。

圖11 燃料電池堆中采用的抗沖擊電池(格柵)保持結構

2．1．4 提高生產率與低成本化

該車型所用燃料電池堆的貴金屬材料的用量相比傳統燃料電池堆削減約40%左右，由于在發電部位的外圍建立樹脂框架，并將MEA做成矩形，就能夠連續地進行催化劑等的涂敷加工，還能夠削減端部材料。由于采用樹脂框架，分別實現了氫氣極、空氣極的最佳氣體分配比例(圖12)。生產率的提高得益于MEA發電部的矩形化結構，在大量制作擴散層及電極層之后進行裁割，進而能使生產工序簡便化，大幅提高生產率。氫氣極是在擴散層上涂敷基底層，再涂氫氣極，接下來還可涂敷電極層，由于可以實現連續涂敷，生產速度也有所提高。由于不需要起模工序，可削減工時，使被切割的端部材料(邊角料)抑制在最低限度，大幅度提高了材料利用率，還有利于低成本化。圖13表示傳統的燃料電池與Clarity車型所用燃料電池的氫氣極的生產工序的比較示意圖。

圖12 氫氣極、空氣極都實現了最佳的氣體分配結構

2．2 燃料電池升壓轉換器

燃料電池升壓轉換器也是新開發的。作為量產車，采用世界首創的碳化硅智能功率模塊(SiC-IPM)，以及四相交錯控制，磁力結合電抗器等新技術。由于采用了這類新技術，比采用傳統型技術的升壓轉換器體積縮小了約40%左右。

SiC-IPM使進行轉換(開關)的全部功率模塊元件，由傳統型的硅制功率元(器)件(絕緣柵雙極型晶體管IGBT)替換為更高性能的SiC材質的元件。新型的SiC功率元件具有非常高的性能，但是，由于現階段制造時的合格率低等原因，其價格較高。有效運用SiC功率元件具有的4倍高頻驅動特性，有助于推進電抗器的小型化。同時，由于吸熱器在高溫下工作性能優異，電力損耗也小，吸熱器也在向小型化發展。

圖13 傳統燃料電池與Clarity燃料電池的氫氣極的生產工序比較

四相交錯控制是使4個SiC-IPM的控制相位錯開90°的四相化驅動，其特點是由于脈動電流相互抵消，從而能夠實現控制裝置的高效化與小型化。四相交錯控制能夠降低為使脈動電流的電容器容量控制方式平滑化，和一側的電容器小型化。圖14表示四相交錯控制圖。

圖14 四相交錯控制示意圖

磁力組合型電抗器使用2個電抗器(簡稱為線圈或繞組)，要求線圈的卷繞方向互為反向并卷繞于鐵心上，形成一體化結構。由于直流磁通相互抵消，進而降低了脈動電流，使得電抗器的小型化成為可能。

此外，相比傳統燃料電池系統的無升壓功能，新型燃料電池系統具有升壓功能，可使驅動用蓄電池組的電壓最高提升至500 V。結果表明，該措施可削減燃料電池堆的電池數量，并能夠電動機輸出功率提高30%。由于在電動機設計(布局)上精心考慮，使電動機高度降低了34%，并可以在電動機上部安裝小型化的燃料電池堆。由于升壓轉換器厚度減薄到100 mm左右，能夠將升壓轉換器收納于車輛發動機艙內。圖15表示的外觀與燃料電池堆、驅動電機以及齒輪箱與動力控制單元一體化的示意圖。圖16表示傳統燃料電池車與Clarity燃料電池車降低驅動單元高度的比較示意圖。電動機向前方90°傾斜布置，將合并了動力驅動單元(PDU)和蓄電池的動力控制單元(PCU)布置在電動機的前方。空氣泵被移動到中央通道內，以確保燃料電池堆與升壓轉換器的安裝空間。

2．3 驅動單元

本系統的驅動單元將驅動電池機、齒輪箱、PCU做成一體化結構。

電動機最大功率為130 kW，相比傳統車輛用電機功率增加了30%，最大扭矩為300 N·m，比傳統車輛用電機增大了17%。由于燃料電池升壓轉換器的應用，最大驅動電壓由330 V提高到了500 V，加上定子的積累壓力增加了10%，轉子與定子部的質量功率密度提高了28%。圖17表示傳統電機與新Clarity車用電機性能曲線的比較。

圖15 通過高性能的升壓功能，兼顧了高輸出功率化與小型化的驅動單元

圖16 傳統燃料電池系統(左)與Clarity燃料電池系統(右)驅動單元的高度比較

在電機殼體上增加加強筋以提高剛度，轉子的分度面積(鐵心齒槽扭斜)由剖分式(對開式)變更為四開式，以降低扭矩變動，同時也降低定子的振動，實現高功率、高轉速化，并提高靜音性。圖18表示電動機與驅動單元的結構。

2．4 空氣壓縮機

向燃料電池堆壓送空氣用的空氣壓縮機，采用新開發的電動渦輪式結構。該壓氣機雖然是小型的，但是相比傳統型壓氣機，可產生1．7倍的供給壓力(圖19)。在同軸上布置2個形狀不同的葉輪，利用兩極增壓，兼顧了供給空氣的高壓化與高流量化的性能。

由于采用了空氣軸承，即利用壓縮空氣使轉子在軸承上懸浮，壓氣機最高轉速可以達到100 000 r/min。在結構上具有抗低噪聲壓、雜音甚至高頻噪聲的特性。由此，將作為消聲裝置的諧振器體積縮小約60%。壓氣機在小型化后，相比傳統的利肖姆型螺旋式壓縮機靜音性提高到2倍以上。

壓氣機也縮小了40%左右，這有利于整個空氣供給系統的大幅度輕量化。

圖19 采用了同軸兩極增壓結構(同一軸上布置2個增壓用渦輪)的電動渦輪型壓氣機

3 氫氣供給系統

將在儲氫罐中充填到70 MPa(約700個大氣壓)的氫氣減壓到200 kPa左右，并向燃料電池堆提供氫。圖20示出儲氫罐的外觀及安裝到車輛上的示意圖。

圖20 安裝了不同尺寸的高壓儲氫罐，以確保后排座位乘員乘車空間

傳統燃料電池車使用減壓調整器，以及用于調壓的安全(溢流)閥，控制氫氣再循環的兩級可變的噴射泵與采用可變控制用的電磁閥調整氫氣的壓力與流量。而Clarity車型的新型氫氣供給系統有效運用壓縮天然氣(CNG)的車輛，利用噴射器的啟動-關閉(ON/OFF)控制，進行減壓、調壓、氫氣再循環的全部過程。由此，完全取消了調整器、安全閥、噴射泵等可變功能。結果表明，供給氫氣系統按照容積比縮小了約40%(圖21)。

圖21 傳統型燃料電池車(a)與Clarity車(b)的氫氣供應系統結構的比較

高壓氫氣儲罐的使用壓力為70 MPa。采用氫氣透過鋁合金襯里進行制作，符合世界上首次制定的關于氫與燃料電池汽車的統一標準(GTR No．13)。在車輛后方座椅下安裝24 L儲氫罐，而在貨廂(行李廂)前方安裝117 L的儲氫罐，前后2個儲氫罐合計可以充填141 L的氫氣。氫氣儲存量相比傳統燃料電池車多25%。傳統車輛用氫氣儲罐壓力為35 MPa，充填氫氣171 L。經改進的結果表明，氫氣儲存量從4．0 kg左右增加到5．0 kg。氫氣儲罐安裝于靠近車輛前、后中心的位置。

供給氫氣系統的基本設計要求是不漏泄氫氣。也就是說，系統的結構上在各部位設置了氫氣傳感器，一旦發生了氫氣漏泄情況，氫氣儲罐的主斷流閥關閉，以切斷供給氫氣的管路。并且，在供給氫氣系統零部件上施加防護罩，漏泄的氫氣通過管道向車外安全地排放。遭遇碰撞時，系統檢測到氣囊傳感器的信號，切斷氫氣供給系統及電氣系統。也就是說，車輛遭遇追尾、沖撞情況等碰撞事故時，對于儲氫罐的保護，在設計上做到萬無一失，能夠完全保證安全。

4 驅動用蓄電池

本車型采用了鋰離子蓄電池組，設置部位是在前排座椅地板下(圖22)。相比傳統蓄電池的電池容量增加了10%，電池數量增加了20%，功率提高到1．5倍。蓄電池組布置考慮了能夠最大限度地確保前、后座腳下的空間，并收納于密閉的柜體中。

圖22 在前排座椅的地板下安裝鋰離子蓄電池組，確保前、后座椅乘員腳底下的空間

圖23 使發電效率最大化的能量管理示意圖

5 行駛性能

Clarity燃料電池車1次充填氫燃料的續航里程為750 km(JC08工況)，在實際路況時可以行駛的里程隨著氣象條件、交通狀況、緊急起步，空調使用情況等會有較大的變化。例如，使用空調時行駛里程的目標值，常年平均為500 km(參考值)。

使發電效率最大化的能量管理也是延長可行駛里程必不可少的要素，不過，能量管理程序上也會出現相反的情況。燃料電池存在發電效率較好的工作范圍，要是超出該范圍，經濟性將會惡化。為通過能量控制以維持發電效率的最佳范圍，開發了預測邏輯(圖23)。先讀取行駛模式(曲線)，判斷在利用能量再生進行蓄電池充電的工況下，可以積極地使用蓄電池提供的電力。在反復加、減速行駛狀況下，通過抑制燃料電池堆的發電波動，進而提高燃油經濟性。也就是說，為了增加行駛里程，還需要降低車輛的空氣阻力，各個部位的滾動阻力，以及降低各運動部件的摩擦損失等。